电子仪表中的关键部件及无线技术

　　可靠性和耐用性：不需要多动部件是电子仪表解决方案的显著优点，电子仪表能够承受更高强度的机械应力，它可以被置于户外，处于气候条件和温度随季节变化的露天自然环境中。虽然电子元件对温度变化很敏感，但是这些变化量可以很容易地估算并予以补偿。

　　高精度：一般的电子仪表精确度到达0.8%，而有些电子仪表提供的精度规格到达0.5%，甚至0.2%，符合更严格的美国国家标准（AmericanNationStandard,ANSI）C12.20-2002规范。基于MCU或DSC的电表的精确度可以由单软体参数指定，安装时可以根据应用的需求方便地修改这些参数，同时保持硬体平台不变，由于同一种产品可以部署在不同的区域并且可以方便地进行现场更新，所以公用事业公司和仪表制造商可以进行流水生产，并通过扩大规模而提高收益。

　　非线性负载和低功率（电表）：无功率负载（电机消耗的电可达电能使用总量的40%）和非线性负载比例的不断增加给供电方带来了负担，传统仪表已不能充分地测量低功率因数系统的能耗，而电子仪表可以方便地指示有功/无功功率和功率因数的瞬时值，该资料可以用于提醒用户并未考虑功率因数的收费系统提供基础资料。

　　易于校准：电子解决方案可以方便地补偿温度变化，当然同时还需要考虑机械/物理变化。电子仪表可以使用几种技术来提供非易失忆记忆体（EPROM、EEPROM和快闪记忆体等）以存储修正/校准参数。可以定期复查和更新（现场）这些参数，以确保仪表精度始终符合要求。

　　防篡改保护：电子仪表可以使用多种简便方法来检测篡改和偷袭事件。尤其对于电表，可以检测到很多“典型”状况。例如：不对称负载（通过接地复合回路来逃避计量）、临时断开（或绕过）仪表使用永磁体使电流互感器饱和或计数器停止计数、蓄意破坏行为。当检测到这些行为时，在有些情况下电子仪表会采取特定的“措施”或简单地给出一个警告标志，若仪表与读表网络相连，会立即向公用事业公司发送警报。

　　自动读表：由于不需要在每次付费时进行人工抄表，自动读表可以为公用事业公司节省大量成本。人工抄表是劳动密集型的工作，容易发生（人为）错误并且由于仪表位于用户的住所内会给用户带来不便。当前使用几种技术来对电子仪表进行自动读表或者对现有机械/机电式进行翻新改造。

　　通过下列机制可以自动读取电子仪表并与其进行通信：

　　●红外线—通过位于仪表表盘上的短距离红外线LED；

　　●射频（RadioFrequency,RF）--短距离和长距离；

　　●资料数据机—通过电话线；

　　●传输线载波（PowerLineCarrier,PLC）--短距离到中距离；

　　●序列埠（RS-485）;

　　●宽带。

　　自动读表的优势通过与掌上型设备（通过红外线或RF，可以相隔数百英尺）通信就可体现出来。虽然这样做并不能免除操作人员访问每个地点，但是能保证读数正确并大大加快了读取速度。再例如，在一个多住户的大楼内，多个仪表可以被连接到一个RS-485网路，通过一个节点进行读取，同样可以提高速度和精度。

　　安全性

　　随着测量自动化程度的提高，对通信技术的安全需求也相应增加了，因此公用事业公司采集资料的隐私性和完整性就显得非常重要。例如，Microchip的解决方案包括高级的加密的三重DES和AES(最高可达到256位密码)，以及用于进行用户身份验证和访问控制的低成本专有解决方案（KEELOQ安全）

　　先进的付费方式

　　通过使用电子仪表可以实现两种全新的付费技术：分时付费和预付费。其中，分时付费是指在每天的不同时段或每周的某些天对同一种公用资源（例如，电能）收取不同的费用。此技术使用公用事业公司可以调节需求从而优化全天对能源的使用，通过在高峰时段（或每周的某些天）收取更高地使用费，鼓励用户合理高效地使用资源。电子仪表可以集成廉价的及时时钟。（Real-Clock,RTC）和日历（RTCC）电路来及时跟公用资源的使用情况。

　　其中分时付费是指在每天的不同时断或每周的这些天对同一种公用资源（例如，电能）收取公司可以调节需求从而优化全天对能源的使用。通过在高峰时段（或每周的这些天）收取更高的使用费，鼓励用户合理高效地使用资源。电子仪表可以集成廉价的及时时钟（Real-TimeClock,RTC）和日历（RTCC）电路来及时跟从公用使用情况。

　　预付费技术意在使公共事业公司降低收费的财务成本。该技术允许用户提前买卖有限数量的服务并接受赊购，通常通过智慧卡或者磁卡付费。在这种情况下，是否提供服务（燃气、水、热能或电能）的关卡。

　　无论测量的是燃气、水、热能还是电能，都将用到上述部分或全部的特性，这些特性使得电子仪表成为新兴（迅速扩展的）市场和现有（已存在的）市场的首选方案。

　　仪表组成

　　电子仪表最关键的部件是感测器、显示器、电源系统，MCU则成为新型仪表的控制中心。例如，只需选用一块专用的电能计量IC(MCP3905)和一个显示/计数器即可方便廉价地实现电表。当采用8或16元MCU甚至16位元数信号控制器（DigitalSignalController,DOS）时，还可以获得更高级的解决方案。

　　对于气表和水表，它们使用的是正向位移式流量计，它们需要测量有多少单位体积的流体流过仪表。每流过一个单位体积的流体，转轴或磁体旋转一周。旋转的圈数可被转换为电派动序列，并由MCU进行计数。MCU的任何一个数位输入引脚都可以实现派动计数，但是最好将派动输入信号连接到中断引脚或计时器/计数器引脚，这样可以尽可能多地使用休眠式来把功耗降至最低。

　　热表采用的是水流量测量方法，检测器件是温度传感。最常用于热量计量的感测器是电阻温度检测器（ResistanceTemperatureDetector,RTD）。温度感测器对通常使用RTD,因为它们易匹配，精度高，测量精度可达0.1度。这些器件相对便宜，但是必须针对所使用的量程范围对它们进行线性化处理。线性化可以轻松地由运行在MCU上的软体来完成。一旦收集了温度和流量资料之后，经过数学运算就可以计算出所使用的辐射热量。

　　电表是采用电流感测器和电压感测器测量电能的。确定功率因数则需要更复杂的测量手段，但基本上也使用这两种感测器。感测器的数量必须与系统中电相位的数量一致。这些感测器和支援电路已被集成到专用IC中，使用这些IC可以轻松实现电表设计并能精确测量非线性参数。

　　仪表最常用地显示部件是LCD和LED，因为它们价格便宜且功耗很低。其中，LED是一种相对高效的光源，当直接极化时（用较低的电压：1.2-1.6V），只需几毫安培电流就可以产生强光。跟LED相似，每个LCD段能代表数码管中的一段、矩阵中的一个图元或自定意的一个完整图示。

　　仪表通信技术

　　通常在电子仪表中使用通信技术，来配置仪表内德参数和传送存储的资料到主机。通信方式可以是有线（电话线和传输线等）或无线（IrDA和蜂窝无线网络等）。

　　一旦采用无线通信埠，设计者就需要采取措施保护仪表的内容。通信软体应具有几个安全级别。例如，首先，软体应采用合理的方式只允许授权人员读取仪表内容；第二，仪表应具有几个访问级别。比如，允许第一个级别的用户读仪表，允许第二个级别的用户读取和清除仪表资料，允许第三个级别的用户配置仪表内的参数等等。

　　有线通信

　　电话线

　　电话线可能是地球上应用最广的“网路”。电话线最常用于电信通信，因为电话线的入室点通常跟电表很近。水表很可能位于街边，而气表一般在房子的其他地方，需要额外的设施才能使用电话线。

　　电话线需要一个固定数据机才能进行通信。嵌入式数据机串列传输速率在1200到56K之间。MCU和嵌入式数据机间的界面是一个简单的序列埠和一些状态和控制线。嵌入式数据机通常使用标准AT命令集通信，该命令集可以很方便地安装在MUC上。诸如TDKSemiconductor、Secom、Zoom和Wintec公司都提供数据机模组和分立的数据机IC，可用于嵌入式系统的设计中。

　　乍一看会觉得使用电话线通信是个好方法。但仪表中广泛采用的数据机需要使用本地号码拨号上网。但业主通常不喜欢仪表拨打长途电话。该方法还要求基础设施能处理这些拨入电话并与仪表通信，所以数据机必须能检测是否有其他通话拨入并中止当前通信（这对紧急拨叫非常重要）。

　　DsPIC30F系列器件实现的软数据机方案，其DsPICDEM.net开发板提供了一个基本平台，用于开发和评估软数据机的Iinternet连接方案，该数据机采用的是DsPIC30F601416位元数位信号控制器。

　　（2）传输线

　　本技术采用交流传输线作为通信介质。传输线通信模组通常位于电表内，便于与高压交流传输线连接。本技术不能同用于室内而非室外通信的X-10混淆，它所面临的主要挑战是资料传说要通过交流变压器，该变压器用于将传输线上极高电压降到240V入室电压。这些变压器如同滤波器一样，所以在变压器间传送资料的技术非常重要，需要使用扩频或类似的通信技术。空调和冰箱会在传输线上产生大量的杂讯，数据机必须能在这种环境中可靠地传输资料。

　　传输线通信要求基础实设施能收集从室内传送过来的资料，通常是流经变压器的资料流程。

　　这些收集“站”一般通过电话线将数据传回到资料存储设备。受将受限制，传输线数据机尚未成为主流技术，但AMTeach、HuntTechnologies和DCSI/TWACS公司都提供了基于该技术的解决方案。

　　Wi-Fi技术也属于有线技术，因为它需要一个类似于有线以太网的网路来连接和传输资料。不过这些有线技术（如电线数据机和以太网等）都没有用于仪表，主要是因为他们需要业主订购服务并需要安装额外的配线。 [p]

　　无线技术

　　ZigBee/EEE802.15.4

　　ZigBee过去又称为Hoverflies、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，是一种应用于短距离范围内，低传输资料速率下的各种电子设备之间的无线通信标准。ZigBee是专为低速（通常20-40kbps）和短距离（<100米）通信而设计的，很适合将电表，气表和水表通过网路连在一起。

　　ZigBee技术具有如下特点：

　　功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输资料量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式是，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延长一般为30ms,休眠启动延长为15ms,活动设备通道接入时延为15ms，由于工作时间较短，收发资讯功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右，同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协定上对电池使用也做了优化，验？性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。

　　资料传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（MAC）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的资料传输机制下，当有资料传送需求式则立刻传送，发送的每个资料包都必须等待接收方得确认回复，若没有得到确认资讯的回复就表示发生了碰撞，将再传送一次，采用这种方法可以提高系统资讯传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送资料时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态启动的时延都非常短。

　　网路容量大：ZigBee低速率、低功率和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支援38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件，而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。

　　一个ZigBee网路最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余是从属（slave）设备。若是通过网路协调器（Networkcoordinator）,整个网路最多可以支援超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个NetworkCoordinate可互相连接，整个ZigBee网路节点的数目将十分可观。

　　相容性：ZigBee技术与现有的控制网路标准无缝集成。通过网路协调器（Coordinator）自动建立网路，采用载波侦听/冲动检测（CSMA-CA）方式进行通道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

　　安全性：ZigBee提供了资料完整性检查和许可权识别功能，在资料传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件可以选择这种方式来转移资料。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单来防止非法器件获取加密措施。第三级安全级别在资料转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护资料静荷和防止攻击者冒充合法器件。

　　实现成本低：ZigBee模组的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且ZigBee协定免专利费用。目前低速低功率的UWB晶片组的价格至少为20美元，而ZigBee的价格目标仅为几美分。

　　ZigBee协定使用IEEE802.15.4无线收发器，目前Chinpcon、Atmel、Freescale、ZMD和Microchip等多家公司都可提供该产品。IEEE802.15.4有3个频段，允许在全国世界范围内工作：2.4GHz适用于全球，868MHz用于欧洲，而915MHz用于美洲。

　　使用ZigBee的仪表需要使用IEEE802.15.4收发器和运行ZigBee协定机的MCU。

　　目前，Microchip可以提供2.4GHz收发器和免费ZigBee协议机。其中其PICDEMZ在演示工具包是一个易于使用ZigBee无线通信协定开发和演示平台，包括ZigBee协定机和两块带有RF子板的PICDEMZ板。该演示板还带有一个6引脚标准连接器，用于直接与Microchip的MPLABICD2线上调试器（DV164005）界面。使用MPLABICD2，开发者可以在同一平台上重新编程或修改PIC18MCU快闪记忆体记忆，开发和调试应用程式码。

　　(2)Z-WAVE

　　Z-WAVE是Zensy开发的专用协定，资料传输速率为9.6kbps，工作频率为868MHz或908MHz。Z-WAVE广泛用于如照明、家用电器和HVAC控制等室内控制应用上。在功能上它与ZigBee类似，适合连接水表、气表和电表。现在出了Zensy开发的模组外，还有没有其他嵌入式模组。Zensy也提供单晶片器件。

　　(3)红外线

　　红外技术虽然经常会被忽略，但是因其低成本和技术成熟等突出优势目前已经广泛用于许多电表中，用于参数配置和资料传输。它遵循几个标准：ANSIC12.18是有关连接器安装物理尺寸的标准；IEC62056规范是红外线通信相关的协定和目录。

　　目前这种类型的红外埠常用于读表系统。使读表器靠近电表，将探头放在连接器上，然后读取电表内部存储的资料。读表器一般是运行资料读取软体的手持PDA或类似设备。目前，资料读取软体有GE的MeterMate等。

　　(4)专用短距离无线通信

　　现在市场上充斥着大量短距离无线通信设备。这些设备覆盖314、433、868、和915MHz频段，比特率最高可达100kaps。诸如Chinpcon、Micrel、Microchip公司提供独立收发器和集成解决方案（收发器加MCU）。此类设计所面临的挑战是协议机要由设计者创建。这样将一个原本很简单的应用程序分成了两个应用程式：主应用程式和RF协定。幸运的是有些制造商已经开发了简单协定，从而缩短了工程进度。(5)GSM/GPRS/CDMA蜂窝式无线通信

　　另一个可行的技术是GSM/GPRS/CDMA数据机。它们非常适合远端计量应用。例如，用于灌溉庄稼的水泵可能需要一个水表和一个电表。由于水泵的远端特性，可能需要一个蜂窝式数据机将水泵资讯传送给检测站。派专人去读取仪表资料是不切实际的，因为路途很远要花费很长的时间，所需费用远超过数据机硬体的成本。公用事业公司通常会有许多此类仪表，通过协商还能降低每月数据机的服务费。

　　嵌入式蜂窝数据机大多使用简单串列界面，并且使用标准AT命令集配置和使用电话。诸如Motorola、Sierra、Wireless和Falcom等公司都制造基于GSM/GPRS和CDMA的嵌入式数据机。

　　设计考虑：低功率

　　低功耗是水表和热表的主要考虑指标，因为这些仪表所处的位置通常没有本地电源。

　　仪表应用中需要考虑的另一个重要方面就是：在丢失主电源情况下要进行适当的低功耗管理和维持系统鲁棒性（Robustness）。公用仪表一般具有两种供电方式:交流和直流（如小电池）电源。电表中通常采用交流电源插座或直接交流供电被认为是不安全的，在水表中通常使用直流电源。

　　交流稳压电源供电的仪表

　　交流供电仪表可通过标准电源插座获得无限量的电能（一般最高限制为2W）。对于交流供电的公用仪表，当计量单元丢失主电源时，智慧电源管理部件除了管理系统的全面操作外，还起到了至关重要的作用。因为当交流电源暂时切断时，也许用户正在使用燃气，或者计量单元正忙于向非易失忆体存储重要资料或正在向公共事业公司传送资料。

　　交流供电仪表系统使用变压器或无变压器电源。要降低应用成本和规模，有时可通过一个简单的电抗分离的无变压器电路向仪表供电。这通常适用于仪表已连接到交流电源的情况（例如电表）。但这种设计使得典型电路供给的电流有限，从而限制了大功率元件的使用。合理的功耗管理有助于降低应用电路的平均功耗，由此降低电源元件的大小和重量。

　　为了补偿交流电源的损失，设计工程师通常会在设计仪表时添加某类备用电源系统，可以是大电容、超大电容或一个小型锂电池。在启用备用电源的情况下，整个系统的功耗特别是MCU的功耗变得至关重要。设计工程师常面临的挑战有

　　在上述情况条件下系统应保持多长的启动时间？

　　整个系统的待机电流是多少？

　　系统的工作电流是多少

　　如何优化功耗和使器件性能（时钟速度）快速适应当前的要求？

　　如何在不稳定电池系统供电条件下可靠地工作？

　　如何通过集成欠压复位、看门狗计时器和故障时钟监视电路增加系统可靠性？

　　如由于执行不同任务时的工作负载也各不相同，如何更好地动态优化仪表中的MCU功耗显得非常重要。给出的典型计量为例，该示例执行了以下任务：

　　及时时钟更新—很小的任务，可以被编程为每秒执行一次。

　　计数器递增—也是一个很小的任务，可以在收到来自计量装置的派动时（如电表中MCP3905的输出，或气/水表中位移测量装置产生的派动）产生中断。

　　偶尔需要MCU执行高强度的计算任务。例如，通过IrDA或RS-485与仪表通信来自动读表，或简单地更新显示或执行一些计费/记录相关的功能。

　　所有新的PICmicroMCU(PIC16和PIC18两个系列)都提供了Microchip得纳瓦功耗管理技术。纳瓦技术具有一系列非常有用地特性是针对功耗管理和鲁棒性问题的，所以非常适于用在公用仪表的设计中。事实上，纳瓦器件不仅最多可提供7种工作模式，允许系统在任意时刻快速切换到最佳时钟源。在上面的示例中，最佳功耗管理策略可以使用下列方案：

　　保持MCU处于休眠模式，以降低无任务时段的功耗

　　保持RTC功能使用的计时器处于活动状态（使用32kHz的辅助振荡器）

　　定期唤醒器件低速执行小型任务（使用一个辅助振荡器）

　　当检测到需要更高级的功能时，主振荡器将启动并执行高强度的任务（以较高功耗的短派动快速执行）。

　　现在，给定功率资料（见图六）的情况下，通过比较MCU执行每个任务所花费的时间百分百和选定工作模式的功耗大致可以算出整个应用的平均功耗。考虑到大多数采用纳瓦技术的PICmicro器件具有9种可选振荡器模式（包括4种晶振模式、2种外部时钟模式、2种外部RC振荡器模式和1种在软体控制下可提供多种时钟频率的内部振荡器电路），纳瓦技术的灵活性几乎可以不受限制。

　　不稳定直流电源供电的仪表

　　直流供电的仪表（如水表和气表）一般使用小型电池（无稳压）供电。在这类系统中，系统的待机或工作电流对整个系统的功耗影响很大。采用纳瓦技术（如低待机电流、快速振荡器起振模式和不同的软体控制振荡器模式）PICmicro器件在必要时可优化性能和降低电流消耗。在大多数电池供电的应用中，整个系统的鲁棒性依赖于MCU处理低压、不稳定电池和由杂讯引发的事件的方式。

　　采用纳瓦技术的PICmicro器件的宽工作电压范围（一般为2.0V到5.5V）特性大大简化了仪表设计，并可以延长电池寿命。事实上，在此类设计中可以省去稳压器，获取宝贵的电池电压幅度，进一步深度放电，来延长电池寿命。Microchip也提供各种独立的模拟器件，可用于系统监管或智慧电池管理。

　　提高可靠性对所有的仪表应用都极为关键，在不稳定电源供电的计量应用尤为突出。

　　所有的Microchip纳瓦器件中除了传统的看门狗计时器外，还集成了3个关键电路，以便提供更高的可靠性：

　　欠压复位（Brown-outReset,BOR）:该选项是可编程的，用于在电源电压下降带门限值以下时复位MCU，防止器件在规定的工作电压范围外工作。

　　低压检测（Low-VoltageDetect,LVD）:该选项同样是可编程的，用于在电源电压下降到预定值（一般设置为略高于BOR的值）以下时产生中断报警。该选项可在欠压重定电路介入前将重要工作参数保存到非易失忆性记忆体中，以备事后安全恢复时使用。

　　故障保护时钟监视器(Fail-SafeClockMonitor,FSCM):这是3者中最高级的功能。故障保护时钟监视器不同于看门狗计时器，它由额外的电路构成，用于验证外部时钟源是否正常工作。当故障保护时钟监视器检测到时钟因某种原因出现故障时，MCU时钟会迅速切换到内部振荡器，从而维持MCU继续工作，使系统置于“安全”故障模式（例如，将重要资料保存到非易失忆性记忆体），并通知用户。

　　最后，要牢记这一规则：几乎所有可用于交流稳压电源应用的器件同样也可用于不稳定的直流电源应用中。